超疏水薄膜的制备与表征 (1)

西北师范大学
硕士学位论文
超疏水薄膜的制备与表征姓名：薛再兰
申请学位级别：硕士
专业：分析化学
指导教师：杨武;高锦章
2008-06
摘 要
固体的表面润湿性，是固体表面的一个重要特征，也是自然界、日常生活中最常见的界面现象之一。

作为润湿性中的极端情况，接触角大于150°的超疏水表面因为它在自清洁材料、微流体装置以及生物材料等许多领域中有着良好的应用前景，所以引起了各国学者的极大关注。

一般来说，超疏水表面可以通过两种方法制备：一种是在低表面能材料的表面构建粗糙结构；另一种是在粗糙的表面上修饰低表面能的物质。

目前，超疏水表面材料的制备由于工艺的限制，以及粗糙表面通常会影响到材料的使用性能，使该材料尚未得到普遍应用。

因此采用简单的工艺制备具有良好使用性能的超疏水材料是该领域的研究热点。

本论文在前人工作的基础上，用三种简单方法成功制备了超疏水纳米薄膜，研究表明，微∕纳米复合结构对超疏水性表面有着重要的影响。

论文共分四部分：
第一章 文献综述
本章从最基本的润湿性概念出发，阐明超疏水的相关理论，进一步总结出目前制备超疏水材料的常用方法及应用前景，并提出本论文的设计思路。

第二章接触辉光放电等离子体引发全氟辛酸丙烯酯-甲基丙烯酸甲酯悬浮聚合及其成膜表面特性的研究
本章以全氟辛酸丙烯酯（实验室合成）、甲基丙烯酸甲酯为单体，用聚乙烯醇为分散剂，以水为介质，采用等离子体引发悬浮聚合方法制备了全氟辛酸丙烯酯和甲基丙烯酸甲酯的共聚物。

利用红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、接触角仪、热分析仪等测试方法对薄膜的结构、表面元素组成、热稳定性与润湿等性能进行了表征和分析，结果表明：由于薄膜表面含有能降低表面能的F元素，具有良好的超疏水性能和热稳定性，水滴在该薄膜上的最大静态接触角为137°。

第三章溶胶-凝胶法制备超疏水性OTS-SiO2复合薄膜
本章以正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体，采用酸/碱两步溶胶-凝胶法和自组装技术制备了具有超疏水性的薄膜。

利用红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、接触角仪等测试方法对十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰前后薄膜的结构、形貌、表面元素组成与润湿等性能进行了表征和分析，结果表明：
用二者相结合技术制备的OTS-SiO2复合薄膜具有良好的超疏水性能，水滴在该薄膜上的最大静态接触角为156°，滚动角小于5°。

第四章溶胶-凝胶∕微波辐射法制备超疏水性SiO2薄膜
本章以正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体，采用酸/碱两步溶胶-凝胶法和微波辐射法制备了具有超疏水性的薄膜，水滴在该薄膜上的静态接触角为153°~155°，滑动角小于6°。

XRD表明该SiO2薄膜为无定形态；通过扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜微观表面，发现该薄膜具有三维多孔网络结构；AFM表明该薄膜表面具有微纳米结构，其表面既有50~60 nm的微粒又有0.14 µm微凸体。

利用FT-IR研究了薄膜的结构，没修饰的薄膜因含有大量的Si-OH基团而呈吸水性，经修饰后SiO2薄膜含有Si-OR结构，呈疏水性；用X射线光电子能谱(XPS)对薄膜表面元素进行了成分分析，结果表明修饰前薄膜元素含量比Si∶O∶C为23.56∶52.14∶24.04，修饰后Si∶O∶C为17.32∶40.94∶41.74，表明经过微波辐射烷基链已成功地接枝到薄膜表面上。

微纳米结构的有机结合和低的表面自由能使薄膜具有了超疏水性。

关键词：超疏水，微∕纳米结构，接触角，等离子体引发聚合，溶胶-凝胶
Abstract
The wetting property of a solid surface is one of the most important characters relating to the solid surface. It has become one of the commonest phenomena in nature and our living. Superhydrophobic surface with contact angel (CA) larger than 150° has received a lot of research attention, duo to their important applications ranging from self-cleaing materials to microfluidic devices and biomaterials. Conventionally, superhydrophobic surface is usually produced mainly in two ways. One is to create a rough structure on a hydrophobic surface, and the other is to modify a rough surface by materials with low surface free energy. Unfortunately, due to limit of preparing process and poor mechanical performance, this kind of materials are not still used as widely as we expect. At present, to prepare superhydrophobic materials with good mechanical properties are still an attractive research subject.
Base on the survey of previous literatures, we reported three kinds of methods to produce superhydrophobic thin films. Experiment results have shown that micro/nano structures can greatly influence the superhydrophobicity.
The Thesis is divided into four parts:
Chapter one, a review, elaborated the theory of superhydrophobicity including basic concept of wetting, further summarized the methods of preparing the superhydrophobic materials and their application prospects.
In Chapter two, preparation and surface prosperities of poly(propylene p erfluorocaprylate-methyl methacrylate) copolymer film by a suspension polymerization initiated by the contact glow discharge electrolysis (CGDE) plasma are studied with propylene p erfluorocaprylate and methyl methacrylate as monomers, polyvinyl alcohol as suspension stabilizer, water as medium.The properties of the films were characterized using FT-IR spectra, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), contact angle instrument and differential thermal/thermogravimetric analysis (DTA/TG) instrument. An appropriate surface roughness and fluorine containing surface of low surface energy result in an excellent superhydrophobic property and
thermal stability, and the largest static water contact angel on it was 137°.
Chapter three describe a preparation of a superhydrophobic silica film by means of an acid/base two-step sol-gel coupling self-assembly technique with tetraethoxysilane(TEOS) as precursor. The properties of the films before and after being octadecyltrichlorosilane(OTS) modified were characterized using scanning electron microscope (SEM), FT-IR spectra, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and contact angle instrument. The results showed that the largest static water contact angel of the OTS-SiO2 composite films was 156° and sliding angle was less than 5°.
In Chapter four, superhydrophobic alkyl modified silica composite films were prepared by means of an acid/base two-step sol-gel coupled microwave irradiation technique with ethyl orthosilicate(TEOS) as precursor, The static water contact angel of the films were 153°~155°and sliding angle were less than 6°. XRD results showed that SiO2in the films is amorphous. The film surface morphological images were observed with atom force microscopy (AFM) and scanning electron microscope (SEM) and it was found that the films had a three-dimensional network structure including a lot of nanoparticles with an average diameter of 50~60 nm and submicron protuberances with an average diameter of 0.14 µm. FTIR analysis showed that non-modified surface composed of Si-OH groups and was hydrophilic. But the films contained Si-OR and became hydrophobic after being chemically modified. Surface atomic ratio of Si: O: C changed from 23.56: 52.14: 24.04 to 17.32: 40.94: 41.74 after modification, which indicated that alkyl has been grafted to silica surface by microwave irradiation. The micro/nanometric structure and low surface energy alkyl surface made the prepared films exhibit excellent superhydrophobic properties.
Keywords: superhydrophobic; micro/nano structures; contact angle; plasma- initiated polymerization; sol-gel
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：日期：
关于论文使用授权的说明
本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）
签名：导师签名：日期：
第一章 文献综述
1.1引言
人类思维的源泉来自大自然，当人们看到“出淤泥而不染”的荷叶，雨中自由飞行的蝴蝶，水面滑行而不沉没的水黾时，就开始注意这些生物表面不被润湿的特性。

通过长期的观察和研究，发现此类生物表面上除了具有疏水的化学组分外，更重要的是在微观尺度上具有微细的粗糙结构。

这一发现为人们制备人工超疏水表面提供了重要的理论依据。

这也是仿生学在现实生活中最直接的应用之一。

图1-1 超疏水的荷叶和表面结构
(a)球形的水滴在荷叶的表面[1]；(b)荷叶表面大面积的微结构[2]；
(c)荷叶表面单个乳突；(d)荷叶背面的纳米结构[3] 在对生物表面特殊浸润性的研究中，荷叶表面的超疏水和自清洁效应最早被
人们所熟知。

图1-1
给出了水滴在荷叶表面上的形态
[1]
以及荷叶表面微观形貌的
扫描电子显微镜照片[2, 3]。

从图1-1(a)中我们可看到滴到荷叶表面上的水滴会迅速滚落。

那么究竟是什么原因使荷叶表面具有很强的疏水性和自洁净功能？1997年德国波恩大学的植物学家Barthlott[2]借助扫描电子显微镜(SEM)观察了荷叶表面的微观结构(图1-1(b))，认为荷叶的这种特性是由粗糙叶面上微米结构的乳突和表面的蜡状物共同引起的，但其中的机理尚不明确。

最近，江雷研究小组报道了一个新的发现[3]，认为荷叶表面的微米乳突上面还存在有纳米结构(图1-1(c))，这种微纳米尺度复合的阶层结构才是荷叶表面超疏水的根本原因。

此外，在荷叶的下层表面同样可以发现纳米结构(图1-1(d))，它可以有效地阻止荷叶的下层被润湿。

这些纳米结构,尤其是微米乳突上的纳米结构，对超疏水性起到重要的作用。

图1-2超疏水的蝴蝶和表面微观扫描电子显微镜图片[4]
(a)水滴在蝴蝶翅膀上的图像；(b)蝴蝶翅膀的SEM 照片；(c)单个鳞片与鳞片槽的SEM 照片
蝴蝶绚丽的翅膀是其飞行的工具，人们常常把它做成精致的标本。

研究发现
蝴蝶翅膀不仅绚丽多彩，而且其表面具有超疏水性和自清洁性，它可以使蝴蝶保持良好的飞行能力[4, 5]。

如图1-2 (a)所示，水滴在蝴蝶翅膀的表面上几乎呈圆球状[4]，试验结果表明蝴蝶翅膀表面的主要结构成分是甲壳质(chitin)[6]，也叫几丁质，几丁质具有疏水性(接触角95°)。

人们又进一步在扫描电子显微镜下观察蝴蝶翅膀的表面[4]，发现蝴蝶整个翅膀表面是由微米级的多个鳞片组成的覆瓦状排列结构(如图1-2 (b))，而每个鳞片的表面由纳米级的肋或者槽结构组成(如图1-2 (c))。

因此，蝴蝶翅膀表面的超疏水性能不仅依赖于表面上微米级的鳞片组合结构，还与纳米级的鳞片表面微观几何结构有关，同时微观几何结构之间的气层对疏水性也有帮助。

水黾可以轻易地站在水面并在水面快速划行、跳跃，但腿不被水润湿，如图1-3(a)所示。

过去这种特性被人们认为是由其腿部分泌的油脂所产生的表面张力造成的[7-9]。

事实并非如此。

江雷研究组发表在2004年Nature上的报告[10]揭开了水黾能够在水面飞行的秘密。

他们发现水黾是通过其腿部独特的微纳米复合阶层结构来实现其超疏水和高表面支撑力的[10]。

图1-3超疏水的水黾和表面微观扫描电子显微镜图片[10]
(a)水面上的水黾；(b)水黾腿在水面压出最深4.38 ±0.02 mm的漩涡，插图为水黾腿的疏水能力；(c)腿上取向排列的微米级刚毛；(d)刚毛上的纳米沟槽
研究发现[10]水黾腿压到水面时会压出一个漩涡，这个漩涡直到被压至4.38± 0.02 mm深时，水面都不会被水黾腿刺破(如图1-3(b))。

进一步通过扫描电子显微镜分析(如图1-3(c)和1-3(d))。

发现水黾腿表面上排列着微米尺度的针状刚毛，每根刚毛上都明显有螺旋状的纳米尺度沟槽，从而形成了独特的阶层结构。

这样，空气就会被有效地吸附在这些取向的微米刚毛和螺旋纳米沟槽的缝隙中，在表面上形成稳定的气膜，从而有效地阻碍了水滴的浸润，这才是水黾腿具有超疏水性能和高表面支撑力的根源。

自然界中，许多动植物的表面（如水鸟的羽毛，水稻叶等）都存在上述超疏水现象。

观察这种天然的超疏水实例，研究者们发现，这些生物表面的湿润性是由其表面的化学组分和微观几何结构共同决定的。

这一发现为我们构筑人工超疏水表面提供了许多现实依据，也为我们开发并研制具有多功能的超疏水表面提供了更多的设计思路。

无论是在理论研究还是在实际应用中，润湿(Wettability)都是固体表面的一个最根本性质，它在工业、农业和日常生活中扮演着非常重要的角色[11-16]。

作为极端润湿的一个特例－超疏水性(Superhydrophobicity)由于其在防水[17]、自净[18]、减阻降噪音[19]和光电材料[20]等方面有巨大的应用前景，最近20年，尤其是最近几年受到材料科学研究者的广泛关注和极大兴趣[21-25]。

固体表面的润湿性由其表面化学组成和微观几何结构共同决定[26-32]。

众所周知，润湿性能主要受固体表面化学组成的影响，固体表面自由能越大，就越容易被一些液体所润湿，反之亦然。

所以寻求和制备高表面自由能或低表面自由能的固体表面是制备超亲水和超疏水的前提要求，因此金属或金属氧化物等高能表面常用来制备超亲水表面，而超疏水表面的制备常需在表面覆盖氟碳链或硅烷链来降低表面能。

但是在光滑表面上仅采用化学方法来调节表面自由能，通常仅能使接触角增加到120°[33]，而不能再高。

要达到更高接触角，就必须设计材料的表面微细结构。

具有微细粗糙结构的表面(相对小于液滴的微米尺度)将能有效地提高疏(亲)水表面的疏(亲)水性能，这一现象早在19世纪就已被发现，有不少理论假设的提出以及数学模型的建立来解释和描述它，但是还存在很多复杂的情况以及理论和研究技术的缺陷，所以自发现后多次被研究者们所“遗忘”。

随着技术的进步，先进的表面处理技术例如激光、紫外、等离子等刻蚀技术的应用，对研究微纳米尺度几何结构对表面润湿性能的影响有很大帮助。

表面的微细粗糙结构化不仅应用于制备超疏水的表面之中，同样，粗糙结构也能提高亲水表面的亲水
性能，由于高能表面易制备且由光滑表面制得超亲水现象较为常见，所以粗糙表面对润湿性的影响多集中在研究超疏水表面方面。

超疏水性表面的研究已经有几十年的发展历史，尽管人们在这一领域的研究中取得了很大的进展，已经利用多种方法制备出了多种性能优异的超疏水性表面，但是目前还存在着许多问题需要深入研究探讨。

例如，制备超疏水需要的原料、设备往往比较昂贵，工艺比较复杂耗时。

所得到的材料超疏水性能虽然良好，但粗糙表面往往比较脆弱，或者在构造粗糙表面的同时难以满足人们对材料机械性能的要求。

为此利用简单有效方法构建粗糙结构，从而获得力学性能优异的超疏水表面是人们不断寻求的目标。

另外，将超疏水性表面进行批量生产，并有效应用于生产和生活的各个领域，制备实用性的超疏水材料将是这一领域的最终目标。

下面将从最基本的润湿性概念出发，阐明超疏水的相关理论，进一步总结出超疏水表面的构筑策略和目前制备超疏水材料的常用方法及应用前景和展望，最后提出本论文的设计思路。

1.2 疏水材料的相关理论
1.2.1 润湿类型
水在荷叶上呈水珠状，荷叶稍倾斜，水珠即可在重力作用下滚落，因此我们说水不润湿荷叶。

我们将手在水中浸过之后，手上就沾有一层水，我们说手湿了。

这是人们最熟悉的关于润湿与不润湿的现象。

但这些说法均是不严格的。

在科学地讨论润湿之前，给润湿下一个定义是有必要的。

从宏观来说，润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。

从微观的角度来看，润湿固体的流体，在置换原来在固体表面上的流体后，本身与固体表面是在分子水平上的接触，它们之间没有被置换相的分子。

最常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻璃表面置换空气而展开。

润湿与不润湿的分类方法比较笼统，早1930年，Osterohf H. J.和BartellF. E .就把润湿现象分成了沾湿、浸湿和铺展三种类型[34]。

润湿方式或过程不同，润湿的难易和润湿条件亦不相同。

沾湿是指固体和液体接触后原来的液一气表面和固一气表面转变为固一液界面的过程；浸湿是指固体完全浸没在液体之中的过程，此过程中，固一气界面为固一液界面所代替，而液一气界面没有变化；铺展是指液体在固体表面上完全展开形成一层薄膜的过程[35]。

图1-4是固体表面三种润湿类型的示意图。

1.2.2 接触角定义与Yong 氏方程
将液体滴于固体表面上，液体或铺展而覆盖固体表面，或部分润湿固体表面时形成一球冠状液滴停于其上，如图 1-5所示。

当固、液、气三相接触达到平衡时，从三相接触平衡点沿液-气界面作切线，将此切线与固-液界面的夹角定义为接触角θ [36]。

Young 是第一个通过接触角来研究表面润湿性能的科学家，他认为θ值取决于固体表面在饱和蒸汽下的表面张力γSV 、液体在它自身饱和蒸汽压
下的表面张力γLV 、以及固-液界面的界面张力γSL 的相对大小，并通过热力学方
程推导出平衡状态时接触角θ与γSV 、γLV 、以及γSL 的定量关系：
()cos /L V SV SL θγγγ=− (1.1)
当θ> 90°时表现为疏水性质(图1-5a)， θ< 90°时表现为亲水性质(图1-5b)。

通常情况下，人们把θ< 5°的表面称之为超亲水性表面[37]，把θ>120°（或150°）的表面称之为超疏水性表面。

荷叶效应的本质就是表面的超疏水性。

根据杨氏方程可知，当γSV <γSL 时，－1<Cos θ< 0， 则180°>θ> 90°，而且γSV 与γSL 相差越
大，θ越大疏水性越好，反之亦然。

Young氏方程是一个建立在理想条件下的，以热力学参数来定量描述接触角的唯象方程。

同绝大多数热力学方程一样，这种定量关系只有在特殊控制的接近理想状态的实验条件下，较准确的测量出各个热力学量，才有可能得到验证。

在通常条件下，接触角的大小还会受到温度、三相线形成方式、表面化学组成的不均匀性和粗糙度等诸多因素的影响而呈现出测量数据的漂移，因而Young氏方程只能对通常的状况给出一些定性的指导。

1.2.3 经典理论Wenzel模型和Cassie模型
Young氏公式只针对化学性质均一、完全理想的平面，可在实际的研究与应用中这种理想平面是不存在，因此Wenzel[38]和Cassie[39]两人分别对Young氏公
()cos 'cos r SV SL r LV γγθθγ−=
= Real Surface area Apparent Surface area r =
()cos '
cos 1cos 180cos 1
f f f f θθθ=+−°=+−f:Area fraction of solid
surface=fs/(fs+fv)∑∑
(b) Cassie 模式 Vapor 图1-6Wenzel 接触模型(a)和Cassie 接触模型(b)的示意图
式进行了修正，使它们的表述更接近真实的表面。

Wenzel 模型：对于实际的固体表面，必须考虑表面粗糙度对其润湿能力的影响，因为任何固体表面都不可能绝对光滑。

1936年Wenzel 就膜表面的粗糙情况对疏水性的影响进行了深入的研究，对Young 氏方程进行了如下修正:
()
cos /cos r r w SV SL LV θγγγθ=−= (1.2)
式中r 定义为粗糙度常数，是一个无量纲的常数，r= 实际接触面积/表观接触面积，从图(1-6a)看出实际接触面积要比表观接触面积大，所以r > 1。

θw 是粗糙表面的平衡接触角，θ为理想表面接触角,或杨氏接触角。

公式(1.2)表明了以下几点：(1) θ<90°时，θw 随表面粗糙度的增加而降低，变得更亲水；(2) θ>90°时，θw 随表面粗糙度的增加而增加，变得更疏水。

水滴在粗糙表面上的接触模型如图(1-6a)所示，液体填充了粗糙表面的每一个地方，它们之间的接触仅为固-液接触。

必须说明的是，Wenzel 模型是建立在两个假设基础上的：(1)基底的表面粗糙度与液滴的大小相比可以忽略不计；(2)基底的表面型貌不影响其表面积的大小。

如果忽略这两个假设，Wenzel 模型就不能成立。

Wenzel 考虑的是液滴在固体表面完全接触的情况。

然而，当实际固体表面具 有很高的粗糙度时，液滴与固体表面是不完全接触的，其中部分与气体接触。

Cassie 和Baxter 在Wenzel 模型的基础上进一步研究[39]，提出了另一种表面粗糙模型——空气气穴模型(图1-6b)，当粗糙的固体表面疏水性较强时，微细结构化的粗糙表面因为其结构尺度小于表面上的液滴的尺度，故液滴并不能填满粗糙表面上的凹槽，在液滴下粗糙表面上会有截留的空气存在，表观上的液体、固体接触其实是液滴一部分与固体表面突起部分直接接触(fs )，另一部分与空气气穴接触(fv )，形成气-固-液三相接触。

Cassie 和Baxter 从热力学的角度分析得到了适合任何复合表面接触的Cassie-Baxter 方程：
c o s c o s c o s 1122f f c θθθ=+ (1.3)
式中θc 为复合表面的表观接触角，θ1，θ2分别为两种介质上的本征接触角，f 1，f 2分别为这两种介质在表面的面积分数(f 1+f 2=1)。

当其中一种介质为空气时，其液气接触角为θ2为180°，因此，公式(1.3)可以转变为：
c o s c o s 112f f c θθ=− (1.4)
相对于Wenzel 模型，Cassie 模型的进步之处在于它更真实地反映了液体与粗糙固体表面的接触情况。

但是，对于任意粗糙的表面来说，要准确确定和测量Cassie 模型中的f 1和f 2的数值很困难。

两种模型分别表示了两种不同的状态，它们之间存在着内在的联系，是两种可以共存的超疏水状态。

有研究表明[40]，在微细结构疏水表面，液滴形成的方式不同也会导致所处状态的不同，通过过饱和蒸汽在表面冷凝得到的或通过喷溅法制得的一般为Wenzel 状态，而通过表面沉积得到的通常符合Cassie 模型。

1.2.4 接触角滞后现象
接触角滞后是指固体表面的前进接触角与后退接触角间存在差异的现象
[41]。

当给膜表面微小液滴不断增加或减少体积时,无论是理想表面还是粗糙表面,液滴都来不及平衡(图1-7)。

前进接触角(advancing contact angle, θA )是在增加
液滴体积时液滴与固体表面接触的三相线将要移动而没移动的那个状态的接触角,它比平衡接触角 θ 要大；后退接触角( receding contact angle, θR )是指在缩小液滴体积时液滴与固体表面接触的三相线将要移动而没移动的那个状态的接触角, 它比平衡接触角 θ 要小。

前进接触角总是大于后退接触角，两者之间的差值(Δθ=θA -θR )称为接触角的滞后。

接触角滞后的程度代表了液体从固体表面脱离的难易程度。

前进角与后退角相差越大，液体越不容易从固体表面脱离；而当
相差很小时，液体则很容易从固体表面脱离，此时表面具有自清洁性。

接触角滞后可以分为两种:一种是热力学滞后，一种是动力学滞后。

对于产生这两种滞后的原因，Kim 等[42]认为: 热力学滞后是因为固体表面的粗糙度和表面的不均匀性，而动力学滞后是因为固体表面的变形、液体的渗透、表面的流动性和固体表面的重取向等多种因素作用造成的。

1.2.5 滚动角
接触角是衡量固体表面疏水性的标准之一，通常认为：接触角越大，其表面疏水性也就越好。

但是判断一个表面的疏水效果时，还应该考虑到它的动态过程，即水滴在表面上移动的难易程度，一般用滚动角来衡量[43]。

一个真正意义上的超疏水表面应当同时满足两个条件，即较大的静态接触角和较小的滚动角[3, 44-49]。

液滴在倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表面与水平面所形成的临界角度称之为滚动角，以a 表示，如图1-8 所示。

放置在倾斜的固体表面上的水滴，如果没有接触角滞后作用，将在重力的作用下向下滚动。

然而实际的固体表面通常都存在着接触角滞后，因此会产生一个对抗重力作用的毛细力，而使水滴停留在固体的表面上[50] 。

滚动角的大小与很多因素有关，如接触角、接触角滞后以及液滴大小等等。

1962年，Furmidge 等[51]首先对接触角滞后问题进行了报道，并且得到了一个描述滞后现象和滚动角之间关系的方程：
()()s i n c o s -c o s L V R A F m g w αγθ
θ== (1.5)
式中F 是用来使液滴在固体表面运动的作用力，亦即液滴周长上单位长度的线性临界力(即滞留力)，m 指液滴的质量，w 指液滴的宽度，γLV 是液一气接触面的表面张力，a 指滚动角，即液滴自然滚动的最小倾斜角度，θA 、θR 分别是液滴在该表面的前进角和后退角。

通过这个方程，可得具有相同滞后现象的表面并不总是表现出相同的滚动角，这是因为m/ w 的值随接触角不同而变化。

因此，为了评估不同表面的动态疏水性，需要用滚(滑)动角直接进行比较。

可见，滚动角也是衡量固体不粘性能的一个重要参数，它和接触角一起决定固体表面疏液性能的优劣。